§ 37. Общая характеристика элементов VIA-группы

Определения и обозначения

Халькогены — элементы 16-й группы, или VIA-группы: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Название восходит к греческим словам со значением «руда» и «рождаю»: многие соединения этих элементов встречаются в рудах. Термин помогает обозначить группу атомов, объединённых положением в периодической системе и сходством строения внешнего слоя.

Внешний электронный слой халькогенов имеет общую конфигурацию ns²np⁴, где n обозначает номер энергетического уровня. На этом уровне находятся шесть электронов: два s-электрона и четыре p-электрона. Эта запись нужна, чтобы объяснять сходство химических свойств элементов группы и предсказывать их связи.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который получают, считая общие электронные пары принадлежащими более электроотрицательному атому. Для многих халькогенов характерны −2, +4 и +6. Кислород обычно имеет −2, а положительная степень окисления для него возможна лишь в соединениях с фтором.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением. Кислород образует O₂ и озон O₃, а у серы известны, например, ромбическая и моноклинная формы. Понятие позволяет не путать разновидности простого вещества с разными химическими элементами.

Как это устроено

Халькогены стоят в одной группе, потому что у их атомов одинаковое число электронов на внешнем уровне и одинаковая общая конфигурация ns²np⁴. Именно внешние электроны в первую очередь участвуют в образовании химических связей, поэтому элементы группы проявляют сходные закономерности. При этом число внутренних электронных слоёв у них различается, и это приводит к постепенному изменению свойств вниз по группе.

До завершения внешнего уровня атомам халькогенов не хватает двух электронов. Поэтому они могут принимать два электрона или образовывать две ковалентные связи — связи, в которых атомы совместно используют электронные пары; этим объясняется распространённая степень окисления −2. Если халькоген соединён с более электроотрицательным элементом, общие электроны условно относят к нему, и степень окисления халькогена становится положительной. У серы, селена и теллура в соединениях встречаются, в частности, +4 и +6.

Сверху вниз по группе добавляются энергетические уровни: у кислорода два электронных слоя, у серы три, у селена четыре, у теллура пять, у полония шесть. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и сильнее экранируются внутренними электронами, поэтому радиус атома увеличивается. Ядру становится труднее притягивать электроны других атомов, и электроотрицательность в целом уменьшается; металлический характер при этом усиливается.

Способность простого вещества принимать электроны связана с окислительными свойствами: принимая электроны, частица восстанавливается, а партнёр по реакции окисляется. Вниз по группе атомы в целом слабее притягивают дополнительные электроны, поэтому окислительные свойства простых веществ обычно ослабевают. Обратный процесс — отдача электронов — становится относительно более доступным, поэтому восстановительные свойства элементов в соединениях проявляются заметнее. Это общая тенденция группы, а не правило без исключений для каждой реакции.

Халькогены образуют водородные соединения общей формулы H₂E, где E — элемент группы, например H₂S. Формула следует из способности атома халькогена образовать две связи с водородом. Высшие оксиды элементов группы, кроме кислорода, имеют общий вид EO₃, например SO₃: в них халькоген проявляет степень окисления +6, а кислород — −2. Сопоставление формул помогает увидеть, как строение внешнего уровня отражается в составе соединений.

Общая характеристика элементов VIA-группы и изменение свойств сверху вниз

В таблице сопоставлены положение элементов, строение их атомов и свойства простых веществ. Обозначение E в формулах означает любой элемент группы, но формулы высшего оксида и водородного соединения относятся к халькогенам, кроме кислорода. Сравнивайте элементы по строкам: так заметнее общие черты и последовательные изменения сверху вниз.

Разбор задач

1. Число внешних электронов серы

Условие: укажите число электронов на внешнем уровне атома серы и объясните, к какой группе периодической системы она относится. Чтобы ответить, найдём положение серы и запишем конфигурацию именно внешнего уровня, не смешивая её с полной конфигурацией атома.

1. Сера находится в 3-м периоде и 16-й группе, которую в старой нотации обозначают VIA.
2. Для элемента этой группы внешняя конфигурация имеет вид ns²np⁴; у серы это 3s²3p⁴.
3. Складываем показатели: 2 + 4 = 6. Число внешних электронов совпадает с номером группы для главной подгруппы в старой нотации.

Ответ: у атома серы шесть электронов на внешнем уровне, поэтому она относится к 16-й, или VIA-группе.

2. Степени окисления серы

Условие: определите степени окисления серы в H₂S, SO₂ и SO₃. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех атомов равна нулю; обычно водороду назначают +1, кислороду −2. Неизвестную степень окисления серы обозначим x и составим равенство для каждой формулы.

1. Для H₂S: 2·(+1) + x = 0, значит x = −2.
2. Для SO₂: x + 2·(−2) = 0, откуда x = +4.
3. Для SO₃: x + 3·(−2) = 0, откуда x = +6.

Ответ: в H₂S сера имеет −2, в SO₂ — +4, в SO₃ — +6. Проверка проста: подставьте найденные значения и убедитесь, что сумма для каждой нейтральной молекулы равна нулю.

3. Сравнение кислорода и теллура

Условие: сравните кислород и теллур по радиусу атома, электроотрицательности и выраженности металлических свойств. Для решения сначала найдём их положение в группе, а затем применим закономерности изменения свойств сверху вниз. Сравнивать нужно атомы и простые вещества по заданным признакам.

1. Кислород расположен выше теллура: у O два электронных слоя, у Te — пять. Поэтому радиус атома теллура больше.
2. Из-за большей удалённости внешних электронов и экранирования ядра электроотрицательность вниз по группе уменьшается. Следовательно, у кислорода она выше, чем у теллура.
3. Неметаллические свойства ослабевают вниз по группе, а металлические усиливаются. Кислород — неметалл, теллур проявляет полуметаллические свойства.

Ответ: у теллура радиус больше, электроотрицательность ниже, металлические свойства выражены сильнее. Причина всех трёх различий — увеличение числа электронных слоёв при движении вниз по группе.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что каждый халькоген во всех соединениях имеет одинаковые степени окисления. Её допускают, когда запоминают перечень возможных значений, но не учитывают состав конкретного вещества; кислород обычно имеет −2, а положительные значения для него исключительны. Проверяйте себя: назначьте известные степени окисления другим элементам и проверьте сумму зарядов в соединении.

Ошибка: принимать номер группы за число внешних электронов без учёта обозначения группы. В старой записи VIA римская цифра связана с числом валентных электронов, а современный номер группы — 16; у халькогенов шесть внешних электронов. Проверка — записать ns²np⁴ и сложить показатели: 2 + 4 = 6.

Ошибка: переносить свойства кислорода на всю группу, например полагать, что все халькогены — одинаково активные неметаллы. Так происходит, если помнить только верхний элемент и не учитывать появление дополнительных электронных слоёв вниз по группе. Сверьте свойства с направлением изменения: радиус растёт, электроотрицательность падает, металлический характер усиливается.

Ошибка: считать аллотропные формы разными химическими элементами. Путаница возникает из-за различий во внешнем виде и свойствах, но состав атомов при этом один и тот же. Чтобы проверить себя, сравните символ элемента: O₂ и O₃ состоят из атомов кислорода, а формы серы — из атомов серы.

Связь с другими темами

Для изучения группы нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и связи положения элемента с числом внешних электронов. Понятия электроотрицательности и степени окисления помогают объяснять состав соединений, а окислительно-восстановительные свойства — направление переноса электронов в реакциях. Аллотропия связывает характеристику группы с изучением простых веществ кислорода и серы. Эти закономерности пригодятся при сравнении неметаллов и металлов в периодической системе.

Что запомнить

• К халькогенам относятся элементы 16-й группы, или VIA-группы.
• Общая конфигурация внешнего электронного слоя — ns²np⁴.
• На внешнем уровне атома халькогена шесть электронов.
• Для многих халькогенов характерны степени окисления −2, +4 и +6; свойства кислорода имеют важные особенности.
• Сверху вниз по группе увеличивается радиус атома и усиливаются металлические свойства.
• Сверху вниз по группе электроотрицательность в целом уменьшается.
• Аллотропные формы — разные простые вещества одного и того же элемента.